CN101170847A - 硅基稀土掺杂电致发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其中包括：一p－型或n－型硅衬底；一稀土掺杂硅基发光材料，该稀土掺杂硅基发光材料制作在p－型或n－型硅衬底上，该稀土掺杂硅基发光材料是器件的有源区；一纳米尺寸厚度的介质层作为加速层，此加速层制作在稀土掺杂硅基发光材料上；一上电极，该上电极制作在加速层上；另两下电极，该下电极制作在p－型或n－型硅衬底下；在两下电极之间有一个出光口。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土掺杂电致发光器件，特别涉及一种硅基稀土掺杂电致发光器件。
背景技术
在过去的几十年中，稀土掺杂发光材料的研究取得重大进展，广泛应用于各种固态激光器。随着社会的发展，对发光材料的要求向薄膜化转变，这就需要在有限的体积之内容纳尽可能多的发光离子。尤其是现在硅基光电子集成的需要，期待在有限的空间内制作微型的激光器件，这就需要高浓度的稀土离子掺杂以实现高的光学增益以补充由于器件小型化带来的各种损耗。
为了实现硅基光电集成，在过去的二十年中，人们投入了相当大的精力投入到制备高效的硅基稀土掺杂发光薄膜，并取得了明显的进展。然而，由于稀土离子内壳层发光的特性，受基质环境的改善有限，要提高这种体系的光学增益以实现小型的半导体硅基激光器件，只有一条出路-即实现高浓度的具有光学活性和电学活性的稀土掺杂发光体系。对一般的掺杂方法，譬如掺杂到晶态硅基材料中，真正有效激活的稀土离子浓度小于1×1018/cm3。而一般的硅基材料的原子密度在6×1022/cm3量级。假使发光的线宽小于1纳米，那能得到的光学增益也可以忽略不计。现在人们更多的关注点在于富硅的二氧化硅体系掺杂稀土离子的研究，同样带来的改进有限，最大的可能光学增益小于10cm-1。而现在一般的半导体激光器所要求的光学增益至少在1000cm-1，因此现有的一般技术路线毫无疑问是没有前途的。
另外，2004年日本科学家Kimura和Isshiki在美国应用物理快报上(Applied physics letters，Vol 85 Page 4343)报道了利用溶胶凝胶的方法制备出高稀土含量(`20％)的晶态硅基薄膜，并观察到室温下强的光致发光和窄的线宽，后来同一个小组也报道了利用外延设备长出了同样的材料并观察到类似的发光特性。我们研究组也成功地实现了相关体系的光致发光。然而日本科学家和我们都发现尽管此一体系电输运特性表现出半导体特性，却无法实现电注入发光，这对这种高稀土含量的硅基薄膜的将来应用带来了严重的障碍。
发明内容
本发明专利的目的是提供一种硅基稀土掺杂电致发光器件，在硅基材料表面预先生长一层高原子比例(大于5％)的稀土掺杂硅基发光材料。在此基础上，淀积一层纳米尺寸厚度的介质层(1纳米到100纳米之间)作为电子的加速层。此加速层可实现激发稀土离子所需的高能量的热电子因而可实现高强度高效率的硅基稀土掺杂电致发光器件。核心的思想就是激发稀土离子发光的热电子的产生区域与发光器件的有源区分离，避免发光器件有源区因为介质特性决定的弱的热电子产生能力而导致的弱的电致发光特性。一般而言，热电子能量高于1eV即可有效的激发稀土离子发光。当然，要实现来自于稀土离子的光学增益，需要更高能量的热电子。而我们采用的加速层材料的大的带隙可以保证足够高能量的热电子的产生以激发稀土离子。此类器件可应用于硅基光电子集成并应用于高亮度显示。
本发明一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中包括：
一p-型或n-型硅衬底；
一稀土掺杂硅基发光材料，该稀土掺杂硅基发光材料制作在p-型或n-型硅衬底上，该稀土掺杂硅基发光材料是器件的有源区；
一纳米尺寸厚度的介质层作为加速层，此加速层制作在稀土掺杂硅基发光材料上；
一上电极，该上电极制作在加速层上；
另两下电极，该下电极制作在p-型或n-型硅衬底下；
在两下电极之间有一个出光口。
其中p-型或n-型硅衬底的晶向为(hkl)，h，k，l为整数。
其中p-型或n-型硅衬底为单晶体硅，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金，量子阱，量子线，量子点，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为绝缘体上单晶硅、锗、碳、锡之间的合金。
其中稀土掺杂硅基发光材料的稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。
其中稀土掺杂硅基发光材料中稀土离子的掺杂比例在5％和50％之间。
其中稀土掺杂硅基发光材料分子式表示为RESixOyNz，其中R E表示稀土离子，0≤x，y，z≤4。
其中加速层的厚度在1纳米到100纳米之间。
其中加速层为二氧化硅、富硅的二氧化硅、氮氧硅、氮化硅以及硫化锌、氧化锌、碳化硅、氮化镓。
制备稀土硅基发光材料时可以采用多种方式。最简便的就是溶胶凝胶的办法，投资简单方便。也可以采用物理办法如外延、溅射等直接在硅片上成膜。加速层最好是用物理办法淀积。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是在用溶胶凝胶方法制备出稀土离子铒含量在20％的硅基薄膜基础上利用等离子体化学气相淀积薄层二氧化硅作为电子的加速层所实现的电致发光器件的示意图；
图2是用溶胶凝胶方法制备出稀土离子铒含量在20％的硅基薄膜的室温荧光光谱。激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中包括：
一p-型或n-型硅衬底10；该p-型或n-型硅衬底10的晶向为(hkl)，h，k，l为整数；该p-型或n-型硅衬底10为单晶体硅，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金，量子阱，量子线，量子点，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为绝缘体上单晶硅、锗、碳、锡之间的合金；
一稀土掺杂硅基发光材料20，该稀土掺杂硅基发光材料20制作在p-型或n-型硅衬底10上，该稀土掺杂硅基发光材料20是器件的有源区；其中稀土掺杂硅基发光材料的稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合；其中稀土掺杂硅基发光材料20中稀土离子的掺杂比例在5％和50％之间；其中稀土掺杂硅基发光材料20分子式表示为RESixOyNz，其中RE表示稀土离子，0≤x，y，z≤4；
一纳米尺寸厚度的介质层作为加速层30，此加速层30制作在稀土掺杂硅基发光材料20上；其中加速层30的厚度在1纳米到100纳米之间；其中加速层30为二氧化硅、富硅的二氧化硅、氮氧硅、氮化硅以及硫化锌、氧化锌、碳化硅、氮化镓；
一上电极40，该上电极40制作在加速层30上；
另两下电极50，该下电极50制作在p-型或n-型硅衬底10下；
在两下电极50之间有一个出光口60。
请再参阅图1所示，本发明提供的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其核心是在硅基材料表面预先生长一层高原子比例(大于5％)的稀土掺杂硅基发光材料，在此基础上，淀积一层纳米尺寸厚度的介质层(1纳米到100纳米之间)作为电子的加速层。此加速层可实现激发稀土离子所需的高能量的热电子因而可实现高强度高效率的硅基稀土掺杂电致发光器件。此类器件可应用于硅基光电子集成并应用于高亮度显示。
图2是用溶胶凝胶方法制备出稀土离子铒含量在20％的硅基薄膜的室温荧光光谱。稀土离子源采用纯度在四个九以上的六水三氯化铒，将三氯化铒溶解在乙醇溶液中，重量比浓度为5％。通过旋涂的办法沉积在硅片上，旋涂时转速为每分钟三千转，湿度40％，温度为常温25度。旋涂之后在120度烘干，然后在600度下氮气气氛下烘烤30分钟，重复这一步骤多次以形成厚膜，最后依次在900度和1200度氧气氛围下分别退伙30分钟和四分钟。激发光源采用氩离子激光器，光源波长为488纳米，激发功率为60毫瓦，斩波器频率为273赫兹。
本发明提出的一种硅基稀土掺杂电致发光器件。核心的思想就是激发稀土离子发光的热电子的产生区域与发光器件的有源区分离，避免发光器件有源区因为介质特性决定的弱的热电子产生能力而导致的弱的电致发光特性。一般而言，热电子能量高于1eV即可有效的激发稀土离子发光。当然，要实现来自于稀土离子的光学增益，需要更高能量的热电子。而我们采用的加速层材料的大的带隙可以保证足够高能量的热电子的产生以激发稀土离子。这种方法具有工艺简单、成本低廉、容易实现以及与集成电路工艺兼容等优点，有望在硅基光电集成以及高亮度显示上得到应用。
Claims (8)
1.一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中包括：
一p-型或n-型硅衬底；
一稀土掺杂硅基发光材料，该稀土掺杂硅基发光材料制作在p-型或n-型硅衬底上，该稀土掺杂硅基发光材料是器件的有源区；
一纳米尺寸厚度的介质层作为加速层，此加速层制作在稀土掺杂硅基发光材料上；
一上电极，该上电极制作在加速层上；
另两下电极，该下电极制作在p-型或n-型硅衬底下；
在两下电极之间有一个出光口。
2.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中p-型或n-型硅衬底的晶向为(hkl)，h，k，l为整数。
3.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中p-型或n-型硅衬底为单晶体硅，或为单晶硅、锗、碳、锡之间的合金，量子阱，量子线，量子点，或为SOI，即绝缘体上硅-silicon on insulator，或为绝缘体上单晶硅、锗、碳、锡之间的合金。
4.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中稀土掺杂硅基发光材料的稀土离子包括所有16种稀土材料，它们是钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中稀土掺杂硅基发光材料中稀土离子的掺杂比例在5％和50％之间。
6.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中稀土掺杂硅基发光材料分子式表示为RESixOyNz，其中RE表示稀土离子，0≤x，y，z≤4。
7.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中加速层的厚度在1纳米到100纳米之间。
8.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂电致发光器件，其特征在于，其中加速层为二氧化硅、富硅的二氧化硅、氮氧硅、氮化硅以及硫化锌、氧化锌、碳化硅、氮化镓。
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| CN103460412A (zh) * | 2010-11-22 | 2013-12-18 | 萨里大学 | 光电子器件 |
| CN109143745A (zh) * | 2017-06-27 | 2019-01-04 | 深圳市光峰光电技术有限公司 | 发光聚集器、发光设备及投影光源 |
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN101950786B (zh) * | 2010-09-13 | 2013-03-27 | 北京大学 | 一种硅基发光二极管的制备方法 |
| CN103460412A (zh) * | 2010-11-22 | 2013-12-18 | 萨里大学 | 光电子器件 |
| KR101891842B1 (ko) * | 2010-11-22 | 2018-08-24 | 유니버시티 오브 서레이 | 광전자 디바이스들 |
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| CN114300938A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-08 | 北京工业大学 | 一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法 |
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